Mg-Al液固擴(kuò)散連接界面特性的數(shù)值計(jì)算.pdf

1、隨著使用環(huán)境越來越復(fù)雜，單一材料已無法滿足需求，這就體現(xiàn)出異種金屬連接的重要性。鎂合金和鋁合金是應(yīng)用最為廣泛的兩種輕量化金屬材料，但鎂和鋁易氧化，二者膨脹系數(shù)差異較大，且易反應(yīng)形成脆性金屬間化合物等，這些特點(diǎn)都使得鎂合金和鋁合金的焊接很困難。除了必要的實(shí)驗(yàn)研究以外，數(shù)值模擬技術(shù)也是一種有效的研究手段，可以在預(yù)先判斷出不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。本文主要針對液態(tài)鎂（合金）壓鑄包覆固態(tài)鋁（合金）（即一種異種金屬“液固復(fù)合”工藝）中的關(guān)鍵

2、技術(shù)開展理論和相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，主要包括:
　　(1)采用鋅酸鹽表面處理技術(shù)加電鍍鋅以及添加微量元素Ga的方法去除固態(tài)鋁（合金）表面的氧化膜;
　　(2)運(yùn)用流體動力學(xué)和流體體積模型來模擬計(jì)算液態(tài)鎂合金（AM60）在固態(tài)鋁合金(A390)表面上的流動，并分析不同鎂合金含量和鋁合金預(yù)熱溫度對其的影響;
　　(3)運(yùn)用有限元來模擬計(jì)算AM60/A390液固復(fù)合界面的殘余應(yīng)力分布情況，并分析不同鎂合金含量和鋁合金預(yù)熱溫度對其的影

3、響;
　　(4)采用分子動力學(xué)研究純鎂/純鋁，液/固復(fù)合界面的原子擴(kuò)散及其原子富集分布，并通過與理論計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對比，得出擴(kuò)散時間以及界面厚度。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)利用“鋅酸鹽表面處理技術(shù)”和電鍍Zn技術(shù)可以有效去除固態(tài)純鋁和A390鋁合金表面的氧化鋁膜，并可獲得液固復(fù)合工藝所要求的有效Zn層厚度，確定了液態(tài)AM60鎂合金和表面處理后的固態(tài)純Al（或A390）液固復(fù)合的優(yōu)化工藝，獲得了冶金結(jié)合的、界面強(qiáng)度可達(dá)

4、60.6MPa的Mg/Al液固復(fù)合樣品。
　　(2)采用流體動力學(xué)(CFD)和流體體積模型(VOF)研究AM60鎂合金液滴在固態(tài)A390鋁合金襯底上的運(yùn)動分布情況，并引入鋪展因子(spread factor)這一參數(shù)來表征鎂合金液滴在鋁合金襯底上的分布。研究發(fā)現(xiàn)，整個過程可以分為(a)鋪展、(b)回彈、(c)抖動以及(d)平衡四個階段。通過研究不同的接觸速度、液滴尺寸以及預(yù)熱溫度，來研究這些參數(shù)對液滴運(yùn)動過程四個階段的影響。對于鋪

5、展階段:較大的接觸速度會得到較大的鋪展因子峰值。隨著液滴尺寸的增加，該階段的時間也會相應(yīng)增加，即鋪展時間越長，預(yù)熱溫度對該階段影響較小;對于回彈階段:接觸速度影響較小，液滴尺寸會導(dǎo)致這一階段時間延長，很久才會進(jìn)入抖動階段。而預(yù)熱溫度會增加液滴的回彈量，表現(xiàn)為液滴運(yùn)動幅度較大;對于抖動階段:三者都有影響，接觸速度和預(yù)熱溫度主要是增加抖動幅度，而較大的液滴尺寸會縮短抖動時間。通過這些模擬計(jì)算結(jié)果，可以指導(dǎo)AM60/A390液固復(fù)合實(shí)驗(yàn)，選取

6、合適的液滴尺寸、滴落高度以及預(yù)熱溫度。
　　(3)通過有限元法和生死單元技術(shù)，對AM60鎂合金/A390鋁合金液固復(fù)合樣品進(jìn)行熱-力耦合計(jì)算，得出樣品內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布情況。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合鑄造樣品冷卻之后，鎂合金一側(cè)呈現(xiàn)出拉應(yīng)力，鋁合金一側(cè)呈現(xiàn)為壓應(yīng)力。研究分析三個應(yīng)力分量的分布情況，在平板兩邊存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，并且會出現(xiàn)拉應(yīng)力與壓應(yīng)力相互轉(zhuǎn)變的情況，這也是兩側(cè)容易發(fā)生裂紋等缺陷的原因。通過研究鋁合金的預(yù)熱溫度和鎂合金液滴的量對

7、雙金屬界面結(jié)合的影響，發(fā)現(xiàn)隨著鎂合金量的增加，樣品內(nèi)部的應(yīng)力逐漸增加;較大的鋁合金層預(yù)熱溫度會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，高預(yù)熱溫度會使鋁合金表面熔化，從而導(dǎo)致金屬間脆性相的生成，而低預(yù)熱溫度又會降低鎂合金層在鋁合金層表面的潤濕。結(jié)合實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算結(jié)果，得出在700℃爐溫內(nèi)預(yù)熱90s為合理的預(yù)熱溫度。
　　(4)運(yùn)用分子動力學(xué)技術(shù)以及實(shí)驗(yàn)觀測手段，研究了液態(tài)純鎂和固態(tài)純鋁結(jié)合界面處原子分布情況、擴(kuò)散系數(shù)以及界面長度。結(jié)果表面